材料的性能与成分

材料的性能与成分、相结构和组织的关系学院：机械工程与自动化学院班级：机设13-4姓名：晏玉碟学号：120133404155材料的性能与成分、相结构和组织的关系摘要：钢铁材料的运用历史悠久，技术成熟，应用广泛，在生产生活中，有着难以取代的地位。钢铁材料的结构特征包括晶体结构、相结构和组织结构。材料的成分，相结构和性能是密不可分的三者。成分和结构往往可以极大的影响材料的性能，而成分和结构之间也是相互影响的。关键字：材料性能相结构和组织成分金属材料热处理1材料的性能与成分的关系钢铁是铁与碳、硅、锰、磷、硫以及少量的其他元素所组成的合金。钢铁的分类方法有很多，但大家最常见的就是按其组成成分及比例来分的。比如说我们常听到的碳素钢和合金钢的区别就是：合金钢了改善钢的性能，在冶炼碳素钢的基础上加入一些合金元素。而碳素钢又可以按其含碳量的不同分为低碳钢、中碳钢和高碳钢；合金钢按其合金元素的总含量可分为低合金钢、中合金钢和高合金钢。1.1C含量对钢材料性能的影响我们都知道除铁外，C的含量对钢铁的机械性能起着主要作用，钢是含碳量为0.03%～2%的铁碳合金。随含碳量升高，碳钢的硬度增加、韧性下降。同时含碳量对工艺性能也有很大影响。对切削加工性来说，一般认为中碳钢的塑性比较适中含碳量过高或过低，都会降低其切削加工性能。对可锻性而言，低碳钢比高碳钢好。碳在F-C合金中存在的形态一种是游离态，另一种是化合态。不论碳以何种形态存在，当ωc%5%时，合金力学性能都很差，工程上无实际价值。所以我们讨论的F-C合金的碳的质量分数至6,69%为止。①例如55号钢，塑性、韧性较差，一般只能在正火或淬火后使用，用作要求较高的强度和耐磨性或弹性、动载荷及冲击负荷不大的零件。C的含量对钢铁的机械性能起着重要作用，随着碳含量的升高，碳钢的硬度增加、韧性下降。图1.1碳含量对钢铁硬度的影响1.2合金元素对钢性能的影响合金成分的加入可以使钢的组织结构和性能都发生一定的变化，从而具有一些特殊性能。合金钢的主要合金元素有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、铌、锆、钴、铝、铜、硼、稀土等。例如，40Cr钢中，铬的加入不仅能提高金属的耐腐蚀性和抗氧化性，也能提高钢的淬透性，显著提高钢的强度、硬度和耐磨性。如16Mn钢比A3屈服点高40%。。含硅1－4%的低碳钢，具有极高的导磁率，用于电器工业做矽钢片。在铬18镍9奥氏体不锈钢中加入适当的钛，可避免晶间腐蚀等。由此可见合金的加入可以使钢的组织结构和性能发生变化，从而具有一些特殊性能。在热处理中，对加热时奥氏体化的影响，对奥氏体粒的大小，Ti、Nb、V等强碳化物形成元素以及Al（950℃）可强烈的阻碍奥氏体晶粒长大，而使晶粒细化，W、Mo、Cr等起到一定的阻碍作用。在回火转变过程中，合金元素还能提高耐火性、产生二次硬化和消除回火脆性。②图1.2合金元素对铁素体硬度的影响1.3杂质元素对钢性能的影响普通碳素钢除含碳以外，还含少量锰(Mn)、硅(Si)、硫(S)、磷(P)等元素。这些元素并非为改善钢材质量有意加入的，而是由矿石及冶炼过程中带入的．故称为杂质元素。硫的影响：硫是炼钢时由矿石与燃料焦炭带到钢中来的杂质。它是钢中的一种有害元素。硫以硫化铁(FeS)的形态存在于钢中。FeS和Fe形成低熔点(985℃)化合物。钢材的热加工温度一般在1150-1200℃以亡，故当钢材热加工时．由于FeS化合物的过早熔化而导致工件开裂，这种现象称为热脆。含硫量愈高，热脆现象愈严重，故必须对钢中含硫虽进行控制。高级优质钢；S≤0.02-0.03%，优质钢：s≤0.003%-0.045%；普通钢：S≤0.055%-0.7%以下。氢脆：钢材中的氢会使材料的力学性能脆化，这种现象称为氢脆。钢中氢的来源主要为下列三个方面：冶炼过程中溶解在钢水中的氢，在结晶冷凝时没有能即时逸出而存留在钢材中；焊接过程中由于水分或油污在高弧高温下分解出的氢溶解入钢材中；设备运行过程中，工作介质中的氢进入钢材中。当钢中存在氢，而应力大于某一临界值时，就会发生氢脆断裂。气体元素O的影响：氧小部分溶解在铁素体中，且大部分以各种氧化物夹杂型式存在，使钢在强度，塑性与韧性，尤其是疲劳性能降低，故应对钢液脱氧。③2材料的性能与相结构的关系钢铁材料的结构特征包括晶体结构、相结构和显微组织结构。不同碳含量的铁碳合金，其室温下的相组成都是铁素体和渗碳体。但是不同合金的结晶过程不同，因而各相的形态、分布和相对含量差异较大，也就是不同成分的铁碳合金的组织不同。④铁素体：铁素体是碳溶解在α-Fe中的间隙固溶体，常用符号F表示。具有体心立方晶格，其溶碳能力很低，常温下仅能溶解为0.0008%的碳，在727℃时最大的溶碳能力为0.02%。称为铁素体或α固溶体，用α或F表示，α常用在相图标注中，F在行文中常用。⑤亚共析成分的奥氏体通过先共析析出形成铁素体。奥氏体：奥氏体是钢铁的一种显微组织，通常是ɣ-Fe中固溶少量碳的无磁性固溶体，也称为沃斯田铁或ɣ-Fe。奥氏体的名称是来自英国的冶金学家罗伯茨·奥斯汀奥氏体塑性很好，强度较低，具有一定韧性，不具有铁磁性。奥氏体因为是面心立方，四面体间隙较大，可以容纳更多的碳。⑥渗碳体：渗碳体的分子式为Fe3C，它是一种具有复杂晶格结构的间隙化合物。它的含碳量为6.69%；熔点为1227℃左右；不发生同素异晶转变；但有磁性转变，它在230℃以下具有弱铁磁性，而在230℃以上则失去铁磁性；其硬度很高（相当于HB800），而塑性和冲击韧性几乎等于零，脆性极大。⑦3材料性能与组织的关系铁碳合金的强度对组织形态较为敏感。当钢铁中的碳含量较小时（小于0.9），强化相渗碳体均匀分布在基体相铁素体中，随着碳含量的增加，合金的强度逐渐增加。但当钢中碳含量较大时(大于0.9%)，渗碳体呈网状分布于铁素体晶界，铁碳合金的强度随碳含量的增加而逐渐降低，同时脆性也增加。所以，为了保证工业用钢具有足够的强度，碳含量一般不超过1.3%-1.4%。⑧参考文献：①P38《工程材料》周继烈倪益华徐志农主编浙江大学出版社2013.6②P125-126《工程材料及成型基础》吕广庶张友明主编高等教育出版社2011.6③P153《机械工程材料》张铁树主编北京大学出版社2011.2④P140《工程材料》傅宇东崔秀芳高玉芳方双全主编主审北京工业出版社2014.8⑤P22《工程材料及其热处理》孙齐磊邓化棱主编机械工业出版社2014.8⑥P22《工程材料及其热处理》孙齐磊邓化棱主编机械工业出版社2014.8⑦P84《机械工程材料（第2版）》戈晓岚招玉春主编北京大学出版社2006.8⑧P59《工程材料及成型基础》李镇江张淼主编北京工业出版社2013.7